Zvětšit obrázek

Dráhy různých nabitých částic i jader vznikajících při srážce jader zlata v detektorovém systému (časově projekční komora umístěná v magnetickém poli) experimentu STAR. Červeně je vyznačena dráha helia 4.  Kredit: STAR Collaboration, RHIC

Před pár dny fyzikové pracující na výkonném americkém urychlovači Tevatronu ohlásili možný a trochu i diskutabilní objev nové částice (Objevili na Tevatronu novou částici?), jejíž existenci naznačují výsledky některých srážek protonů a antiprotonů. Nedávno se s úspěchem pochlubil i tým dalšího velkého amerického urychlovače RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), v němž se srážejí s vysokou energií jádra těžších prvků (Cu, Au). Pro tyto oba americké urychlovače bude evropský LHC, když se naplno rozběhne, příliš silnou konkurencí a tak se snaží objevit vše zajímavé, co je v dosahu jejich energetických možností.

Hlavním úkolem urychlovače RHIC je ve srážkách těžkých jader produkovat hmotu s obrovskou hustotou, která několikanásobně přesahuje hustotu atomového jádra a teplotou řádově 10¹² K, což je přibližně stotisíckrát více než v nitru Slunce. Studium jejích vlastností pomáhá pochopit, jaký byl vesmír jen pár mikrosekund po začátku rozpínání. Pomocí urychlovače RHIC se prokázala existence nové fáze jaderné hmoty s názvem kvark-gluonové plazma a poprvé se podrobně zkoumaly jeho vlastnosti. Jak na tato studia navázal urychlovač LHC a jeho experimenty, se můžete podrobněji dočíst v článku Srážky atomových jader olova produkují kvark-gluonové plazma.

Zvětšit obrázek

Pohled z ptačí perspektivy na urychlovač RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) v Brookhavenské národní laboratoře na newyorském Long Islandu. V hlavním, téměř 4 km dlouhém dvojitém prstenci se urychlují a v místech detektorů jednotlivých experimentů protisměrně srážejí na vysoké rychlosti urychlené ionty těžších prvků (například mědi nebo zlata). Některé srážky produkují kvark-gluonové plazma, jehož studium odhaluje vlastnosti velmi raného vesmíru. Kredit: American Institute of Physics

Stejně jako v případě Tevatronu se i fyzikové využívající urychlovač RHIC snaží využít dlouhodobé detailní znalosti svých zařízení a velké množství nashromážděných dat. Stále důkladnější analýzou v nich pátrají po velmi exotických a vzácných jevech. Tým experimentu STAR (na RHIC) se nyní věnuje hledání exotických antijader. Takové studium je nesmírně zajímavé a doplňuje naše znalosti o světě antihmoty. Asi před rokem jsem v článku Další velmi exotický obyvatel antihmotné ZOO informoval o objevu antihypertritonu. Jedná se o jádro antitritonu, kde je jeden antineutron nahrazen antihyperonem lambda. Toto antijádro se tak skládá z jednoho antiprotonu, jednoho antineutronu a jednoho antilambda.
 
O nejnovějším výsledku experimentu STAR proběhly informace v druhé polovině března. Jedná se o objev nejtěžšího doposud známého antijádra. Jde o antihelium 4, jehož jádro se skládá ze dvou antiprotonů a dvou antineutronů. Je to zajímavý úlovek, protože v našem světě je tento izotop druhým nejčastějším jádrem a helium tak druhým nejvíce zastoupeným prvkem v pozorovatelné hmotě. Podstatná část množství tohoto vzácného plynu vznikla už někdy kolem třetí minuty života existence raného vesmíru. Pokud někde existuje či existoval nějaký antivesmír složený s antihmoty, tak jeho druhým nejběžnějším prvkem po antivodíku bude právě antihelium v podobě izotopu antihelia 4.

První pozemské antihelium 4 se podařilo vyprodukovat ve srážkách dvou jader zlata. RHIC využívá pro urychlování ionty tohoto prvku, i když jsou lehčí než ionty olova, které se v LHC poprvé srážely 7. listopadu 2010 s energií 287 TeV. Příprava iontů zlata je však jednodušší. Pokud je srážka dvou proti sobě letících jader centrální, výsledkem je zmíněné kvark-gluonové plazma. Kvarky v nukleonech srážejících se jader se uvolní a zároveň přeměnou kinetické energie vznikne velké množství nových kvarků a antikvarků. Ty musí vznikat vždy ve dvojicích kvark - antikvark, proto pro výslednou směs je charakteristická jen mírná převaha kvarků. Těch, co se uvolnily z původních nukleonů v jádrech zlata. V okamžiku, kdy toto kvark-gluonové plazma dostatečně zchladne, váží se kvarky do tzv. hadronů. A mezi ně patří nejen z kvarků složené neutrony, protony nebo i hyperony lambda, ale také antineutrony, antiprotony i antilambda vytvořené z antikvarků.

Pro to, aby vzniklo jádro či antijádro, musí být několik nukleonů (protonů a neutronů) nebo antinukleonů (antiprotonů a antineutronů) téměř ve stejném místě a musí se pohybovat téměř ve stejném směru a téměř stejnou rychlostí. Jinak je jaderné síly nemohou navzájem svázat. Problémem je, že taková situace v horké, husté a rychle se rozpínající hmotě nastává s velmi malou pravděpodobností. A čím chceme těžší jádro s více nukleony, tím je jeho produkce méně pravděpodobná. Každý další nukleon zmenšuje pravděpodobnost vytvoření nového jádra tisíckrát. To je důvod, proč, i když byl antiproton objeven už v roce 1955 a antineutron o rok poté, jádro antideuteronu (antiproton + antineutron) se podařilo ve spršce částic po srážkách zaregistrovat až v roce 1965, antihelium 3 až v roce 1971 a antitriton v roce 1975. Na následující těžší antijádro - na antihelium 4 - jsme si museli počkat dalších téměř čtyřicet let.

Zvětšit obrázek

Takhle bude vypadat spektrometr AMS-02 po připojení k vesmírné stanici ISS. (zdroj NASA)

Na to, aby experiment STAR vyprodukoval detekovaných 18 jader antihelia 4 potřeboval miliardu vhodných srážek zlata ze dvou sérií experimentů při různých energiích svazku. Celková energie srážky byla 200 GeV na jeden pár srážejících se nukleonů nebo 62 GeV (každý nukleon tak měl kinetickou energii 100 GeV nebo 31 GeV). V prvním případě měl každý ze srážejících se nukleonů kinetickou energii více než stokrát větší než je energie spojená s jeho klidovou hmotností.

Protože není žádné vhodné antijádro složené z pěti antinukleonů, dalším možným těžším antijádrem je až antilithium 6, složené ze tří antiprotonů a tří antineutronů. Tento skok o dva antinukleony snižuje pravděpodobnost produkce asi milionkrát v porovnání s antiheliem 4. Pro současné urychlovače je jádro antilithia 6 nedosažitelným cílem, který si vyžádá úplně nové metody a zařízení. Pravděpodobně si na něj budeme muset asi hodně dlouho počkat.

Zvětšit obrázek

U města Batavia v americkém státě Illinois se nachází Fermiho národní laboratoř s urychlovačem Tevatron. Na vysokoenergetické srážky částic využívá protisměrné paprsky protonů a antiprotonů, které v prstenci dlouhém přes 6 km urychluje na energii až 1 TeV. Zdroj: Fermilab

Ještě pár slov o identifikaci antihelia 4. Ta je poměrně jednoduchá. Antičástice, tedy i antijádra mají stejnou hmotnost jako odpovídající částice a jádra. Mají i stejně velký elektrický náboj, ale opačný. Pokud tedy najdeme jádro, které má stejnou hmotnost jako helium a záporný elektrický náboj stejné velikosti, tak to bude antihelium. Jednou z hlavních součástí detektorového systému experimentu STAR je i velký magnet. A právě pohyb nabité částice (například jádra) v magnetickém poli umožňuje zjistit její hmotnost a náboj.

Důležitým poznatkem je, že změřená pravděpodobnost vzniku antihelia 4 z kvark-gluonového plazmatu přesně odpovídá teoretickým představám o mechanismu jeho vzniku. Takže nyní víme, že neexistují další jevy, které by pravděpodobnost jeho produkce při srážkách jader zvyšovaly. Z toho vyplývá, že i při různých procesech ve vesmíru jej vzniká zanedbatelné množství, jež nemáme šanci u Země zachytit. Pokud tedy nějaké antihelium 4 zaregistrujeme, tak je důkazem, že se sem zatoulalo z oblasti vesmíru, která je složena z antihmoty. Buď vzniklo v jeho raném stádiu vývoje, nebo ho produkují tamní antihvězdy.

Ionty antihelia 4 má za úkol lovit spektrometr AMS-02 (obr. vpravo), který by měl k Mezinárodní vesmírné stanici ISS vynést raketoplán Endeavour při své poslední misi se startem plánovaným na 29. dubna. Tento spektrometr dokáže určovat hmotnost a náboj různých částic a jader v kosmickém záření. Pokud se mu podaří najít antihelium 4, bude to jasný důkaz toho, že ve vesmíru existuje někde oblast z antihmoty. O spektrometru jsem už psal zde a zde, proto bych teď zmínil jen jednu změnu. Jeho důležitou součástí je velmi silný magnet. Původně se předpokládalo, že se použije magnet supravodivý. Jenže současné zásobování ISS si vyžaduje omezení přepravy velkých nákladů, což neumožňuje zajistit pravidelné dodávky dostatečného množství helia potřebného pro chlazení supravodivého magnetu při dlouhodobém provozu spektrometru. Proto byl nahrazen permanentním magnetem ze speciální feromagnetické slitiny. Pokud v následujících týdnech vše dobře proběhne, tak se v dalších letech můžeme těšit na velmi zajímavé výsledky.

Video1: Přeprava nákladu do Kennedyho centra pro vesmírné lety na rampu raketoplánu Endeavour, který se připravuje na svou poslední misi STS-134 k Mezinárodní vesmírné stanici ISS. Dopraví i magnetický spektrometr Alpha (AMS-2). Kredit: NASAtelevision

Video2: Urychlovač relativistických těžkých iontů - Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – může urychlovat různé druhy nabitých částic, nejen protonů, ale i iontů těžších prvků. Při vzájemných centrálních srážkách v protisměru urychlených iontů vzniká kvark-gluonové plasma. Při jeho chladnutí se mohou na krátký okamžik vytvořit antijádra těch nejlehčích izotopů. Antihelium 4 představuje nynější horní hmotnostní hranici antihmoty vytvořené v laboratorních podmínkách. Kredit: BrookhavenLab

Referováno v Physicsworld, Technology review  a arXiv.blog